耙吸挖泥船帶水下泵耙管阻力的數(shù)值水池預(yù)報(bào)研究

沈志平 曹洪建 陳國(guó)建 鄭唐文 王 煒 華小云

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2. 必維船級(jí)社（中國(guó)）有限公司 上海200011；3.長(zhǎng)江航道局 武漢430010）

引 言

耙吸挖泥船是一種采用耙管、耙頭及高壓沖水挖掘裝置進(jìn)行疏浚作業(yè)的工程船。耙吸挖泥船通常在兩舷設(shè)雙耙管或單舷設(shè)單耙管，進(jìn)行疏浚作業(yè)時(shí)，將耙管旋轉(zhuǎn)下放至河床底，通過船舶自航拖動(dòng)耙管，依靠耙管底端的耙頭耙齒以及高壓沖水進(jìn)行松土，采用泥泵將挖掘疏松的泥沙和水的混合物通過耙頭、耙管吸入船舶泥艙。挖泥作業(yè)時(shí)船舶保持一定的對(duì)地航速，并克服環(huán)境水流的速度。

耙吸挖泥船作業(yè)阻力的預(yù)報(bào)和推進(jìn)功率的配置是耙吸挖泥船設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵方面。耙吸挖泥船挖泥作業(yè)航行時(shí)，總阻力由船體、耙管的對(duì)水阻力和耙頭的挖掘阻力組成。由于耙吸挖泥船作業(yè)對(duì)地航速通常在2～3 kn，同時(shí)需要克服大至4～5 kn 的水流速度，因此，耙吸挖泥船的對(duì)水作業(yè)設(shè)計(jì)航速通常取為6.5～7.5 kn。這一航速對(duì)船體來說屬于較低速，船體阻力較小。但耙管和耙頭的阻力相對(duì)于船體阻力卻大得多，根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，耙吸挖泥船作業(yè)時(shí)，船體阻力只占約15%，傳統(tǒng)不帶水下泵耙管的拖曳阻力要占到約25%以上，而耙頭挖掘阻力隨土質(zhì)不同而不同，一般要占到約50%以上。隨耙吸挖泥船作業(yè)指標(biāo)不同，這些阻力占比不是絕對(duì)的，上述比例只是粗略的定性說明。因此，設(shè)計(jì)中對(duì)耙管、耙頭的阻力不能忽視，需要進(jìn)行較準(zhǔn)確的評(píng)估和預(yù)報(bào)，這對(duì)耙吸挖泥船推進(jìn)性能的設(shè)計(jì)和動(dòng)力裝置的配置至關(guān)重要。

目前，進(jìn)行耙管阻力預(yù)報(bào)的方法主要有：

（1）經(jīng)驗(yàn)公式方法

由于至今并沒有能較好符合耙管幾何特點(diǎn)和水動(dòng)力特征的經(jīng)驗(yàn)公式，相關(guān)文獻(xiàn)資料缺乏，大多采用基于直立細(xì)長(zhǎng)圓柱體的水動(dòng)力相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行粗略的類比估算。有關(guān)直立圓柱體在均勻流中的阻力系數(shù)已有較多的文獻(xiàn)資料，如參考文獻(xiàn)［1］中有關(guān)垂直圓柱體的流阻力計(jì)算方法。該方法給出了水流速度低于和高于臨界雷諾數(shù)情況下的垂直圓柱體阻力系數(shù)值（見表1［1］），可較簡(jiǎn)便地應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，但應(yīng)用于耙管仍存在如何考慮耙管傾斜狀態(tài)時(shí)阻力系數(shù)的修正以及耙管附體的阻力占比問題。

（2）模型試驗(yàn)方法

由于實(shí)船耙管尺度和水流速度下的雷諾數(shù)達(dá)106量級(jí)，而通常船模拖曳水池中縮比耙管模型尺度和水流速度下的雷諾數(shù)只能達(dá)到104量級(jí)，對(duì)于圓柱體來說，存在有超過某臨界雷諾數(shù)后，拖曳阻力發(fā)生突變的特性，如圖1 所示［2］，而實(shí)船耙管和模型耙管雷諾數(shù)的這一量級(jí)差異恰恰是跨越了臨界雷諾數(shù)值。

表1 圓柱體在均勻流中阻力系數(shù)

圖1 均勻流中垂直圓柱體阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線

本文第一作者曾在十多年前從事某耙吸挖泥船設(shè)計(jì)時(shí)，在進(jìn)行總體性能船模試驗(yàn)的同時(shí)，將耙管作為附體進(jìn)行了耙管阻力的試驗(yàn)研究探索，雖然獲得了耙管隨不同下放角度的阻力變化特性和耙管上附件阻力占比方面的認(rèn)識(shí)，但臨界雷諾數(shù)前的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能合理地?fù)Q算到超越臨界雷諾數(shù)后的實(shí)船耙管，因此采用通常的拖曳水池模型試驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)船耙管阻力的預(yù)報(bào)是有局限的。

（3）CFD 分析方法

近年來，隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和大型計(jì)算機(jī)集群的普遍應(yīng)用［3-6］，數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)方法逐步成為船舶與海洋工程界的熱點(diǎn)之一。數(shù)值水池技術(shù)，在利用先進(jìn)CFD 求解器的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量案例對(duì)比驗(yàn)證，從而形成一套行之有效的虛擬試驗(yàn)理論與方法，是解決工程問題的有效手段。近年來，隨著耙吸式挖泥船的技術(shù)發(fā)展，帶水下泥泵的耙管得到廣泛應(yīng)用。由于其構(gòu)造型式較傳統(tǒng)耙管更復(fù)雜、附體結(jié)構(gòu)更多、對(duì)耙管阻力的影響也更復(fù)雜，因此，迫切需要應(yīng)用可靠的新型分析手段來進(jìn)行耙管阻力的預(yù)報(bào)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，借助數(shù)值水池技術(shù)進(jìn)行耙管阻力研究，是一種先進(jìn)高效的方法。

本文應(yīng)用數(shù)值水池技術(shù)針對(duì)耙吸挖泥船耙管結(jié)構(gòu)在實(shí)尺度下進(jìn)行了虛擬阻力試驗(yàn)研究，分析研究了多個(gè)角度、多個(gè)航速下耙管的阻力特性，以及耙管各個(gè)部分的阻力構(gòu)成，為耙吸挖泥船阻力推進(jìn)性能設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值水池理論及方法

1.1 數(shù)值水池背景

數(shù)值水池的基本原理是用計(jì)算機(jī)模擬流體流動(dòng)，求解流體運(yùn)動(dòng)方程，模擬海洋結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)和受力，模擬流體流動(dòng)邊界條件，用計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)模擬甚至超越物理水池的功能。該技術(shù)是船舶與海洋工程裝備研發(fā)由物理水池試驗(yàn)向虛擬仿真試驗(yàn)轉(zhuǎn)變的最重要支撐技術(shù)，也是船舶與海洋工程裝備設(shè)計(jì)方法的革命性轉(zhuǎn)變，具有極其重要的理論和工程意義。

數(shù)值水池基于先進(jìn)的CFD 技術(shù)，為船舶與海洋工程界提供水動(dòng)力學(xué)性能，包括船舶快速性、耐波性、操縱性、海洋平臺(tái)運(yùn)動(dòng)與載荷等虛擬試驗(yàn)預(yù)報(bào)和評(píng)估，目前已成為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)、優(yōu)化的重要手段。數(shù)值水池在船舶阻力預(yù)報(bào)、自航性能預(yù)報(bào)、海洋工程復(fù)雜結(jié)構(gòu)流載荷預(yù)報(bào)、波浪載荷預(yù)報(bào)等方面的應(yīng)用較為廣泛。當(dāng)前，用于實(shí)際工程的CFD 求解器大多是以雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程（RANSE）為控制方程，考慮了流體粘性影響和流動(dòng)中非線性效應(yīng)，其預(yù)報(bào)結(jié)果具有較高的精度，可以滿足工程設(shè)計(jì)的需要。此外，與物理水池實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)值水池具有其自身的優(yōu)勢(shì)，如：可以開展實(shí)尺度模型試驗(yàn)，避免尺度效應(yīng)的影響；易于修改試驗(yàn)方案進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)成本低；流場(chǎng)可視化，流場(chǎng)信息更全面，利于分析結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力性能，為結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化提供幫助。因此，數(shù)值水池已經(jīng)成為能突破物理水池局限的高效、可靠的技術(shù)和手段。

1.2 CFD理論方法

本文針對(duì)耙吸挖泥船耙管阻力進(jìn)行數(shù)值水池計(jì)算研究，利用ISIS-CFD 求解器，求解不可壓縮非穩(wěn)態(tài)RANS 控制方程，采用k-ωSST 湍流模式封閉控制方程。

連續(xù)性方程：

采用求解RANS 方程的方式可以在節(jié)省時(shí)間和計(jì)算量的情況下較快地獲得近似的流場(chǎng)信息。將流體的湍流流動(dòng)看作是時(shí)間平均流動(dòng)和瞬時(shí)脈動(dòng)流動(dòng)的疊加（式中和分別表示速度的平均值和脈動(dòng)值），從而得到湍流時(shí)間平均流動(dòng)的控制方程，即RANS 方程：

SSTk-ω模型是Menter（1994）提出的另一種較為常用的湍流模型，它采用剪切應(yīng)力輸運(yùn)（Shear Stress Transport）公式將k-ω模型和k-ε模型的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，在近壁面邊界層內(nèi)部使用的k-ω模型，逐漸過渡到在邊界層外部高Re區(qū)域使用的k-ε模型。兩種模型的結(jié)合大大提高了湍流流動(dòng)求解的精確性和可靠性。SSTk-ω模型的輸運(yùn)方程如下：

式中：d表示計(jì)算域中的點(diǎn)到最近壁面的距離，Ω 為渦量值。SSTk-ω模型中的其他常數(shù)值如表2 所列。

表2 SST k-ω 湍流模型中的常數(shù)

ISIS-CFD 基于有限體積方法建立輸運(yùn)方程的空間離散。利用動(dòng)量守恒得到速度域，壓力場(chǎng)采用質(zhì)量守恒或連續(xù)性方程得到，具體可參見文獻(xiàn)［7］。

ISIS-CFD 求解器是針對(duì)船舶及海洋工程水動(dòng)力問題開發(fā)的。利用ISIS-CFD 求解器，結(jié)合工程師經(jīng)驗(yàn)，確立標(biāo)準(zhǔn)的虛擬試驗(yàn)流程，從而建立數(shù)值水池。數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)已在船舶阻力、自航、流系數(shù)、波浪增阻等方面經(jīng)過了大量驗(yàn)證［8-10］，其精度、可靠性能夠得到保證。

2 耙吸挖泥船耙管阻力數(shù)值水池研究

2.1 計(jì)算模型及工況

針對(duì)新一代耙吸挖泥船帶水下泵耙管的阻力進(jìn)行數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)。帶水下泵的耙管較傳統(tǒng)不帶水下泵的耙管結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，且由于水下泵、各種連接和活動(dòng)結(jié)構(gòu)、輔助管線相對(duì)耙管本體的尺度比例較大，故其對(duì)阻力影響也更為復(fù)雜。因此，本文將利用數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)手段，進(jìn)行這種全附體耙管在各種工況下的阻力虛擬試驗(yàn)，探索耙管在各種工況下的阻力特性及變化規(guī)律，同時(shí)探究耙管各個(gè)組件的阻力占比，為船舶總體和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

在虛擬試驗(yàn)中，首先將耙管作為單一圓柱體進(jìn)行了裸耙管阻力特性研究，以期較容易地分析、比對(duì)和歸納耙管主體在各種工況下的基本阻力特性和變化規(guī)律，并可同有關(guān)圓柱體阻力系數(shù)的文獻(xiàn)資料數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，同時(shí)用以設(shè)置、調(diào)校數(shù)值水池計(jì)算參數(shù)；進(jìn)而針對(duì)完整結(jié)構(gòu)的耙管進(jìn)行建模，研究分析帶水下泵及復(fù)雜構(gòu)件的耙管阻力組成和特性。

圖2 所示為完整的帶水下泵耙管的幾何模型，耙管長(zhǎng)度為50 m，主耙管直徑0.936 m?？紤]到耙管頂端距頂部邊界距離較近，計(jì)算結(jié)果可能受到邊界條件的影響，因此，將耙管頂部延長(zhǎng)，使耙管主要部分和頂部邊界保持一定距離。計(jì)算中將全附體耙管劃分為如圖所示8 個(gè)部分，以便于分析各個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)總阻力的貢獻(xiàn)。頂部延長(zhǎng)部分阻力不予計(jì)入總阻力。

圖2 帶水下泵耙管構(gòu)造幾何模型圖

本文對(duì)耙管在不同傾斜角度、不同流速條件下進(jìn)行了流阻力計(jì)算。圖3 為耙管傾斜角度示意圖。計(jì)算傾斜角度取20°、30°、45°、50°、90°；每一角度下計(jì)算流速取2.5 kn、4.5 kn、6.5 kn、8.0 kn。

圖3 耙管傾斜角度示意圖

2.2 耙管阻力計(jì)算數(shù)值水池建立

針對(duì)實(shí)尺度裸耙管和全附體耙管模型建立數(shù)值水池，在給定流速條件下對(duì)不同傾斜角度情況下的耙管阻力進(jìn)行評(píng)估。數(shù)值水池試驗(yàn)中，將耙管考慮為剛體，固定無自由運(yùn)動(dòng)，不考慮耙管的渦激振動(dòng)等因素。

本文所用ISIS-CFD 求解器，確立的標(biāo)準(zhǔn)虛擬試驗(yàn)流程，建立的數(shù)值水池經(jīng)過了許多驗(yàn)證，驗(yàn)證案例參見文獻(xiàn)［10］。以此進(jìn)行挖泥船新形式耙管阻力虛擬試驗(yàn)，其試驗(yàn)的精度與可靠性是有較好保證的。

數(shù)值水池計(jì)算域大小和計(jì)算網(wǎng)格量因耙管的傾斜角度而有所差異。圖4 所示為針對(duì)垂直裸耙管設(shè)置的數(shù)值水池及網(wǎng)格劃分情況，計(jì)算網(wǎng)格量在470 萬左右。圖5 和下頁(yè)圖6 所示分別為直立狀態(tài)（90°傾角）以及30°傾角狀態(tài)時(shí)，全附體耙管設(shè)置的數(shù)值水池計(jì)算域及網(wǎng)格劃分情況。為對(duì)所有附體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行捕捉，所使用的網(wǎng)格量隨傾斜角度不同在150 萬至2 400 萬左右。

圖4 裸耙管數(shù)值水池模型及網(wǎng)格

圖5 全附體耙管數(shù)值水池模型及網(wǎng)格（ 90°傾角）

圖6 全附體耙管數(shù)值水池模型及網(wǎng)格（30°傾角）

計(jì)算域右側(cè)邊界為速度入口邊界條件，左側(cè)為出口邊界條件，流體從計(jì)算域右側(cè)流向左側(cè)。計(jì)算域底部為可滑移壁面條件，頂部和左右兩側(cè)為對(duì)稱邊界條件。耙管表面為無滑移壁面條件。

2.3 網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證

為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，針對(duì)計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格的收斂性驗(yàn)證，分別采用疏密不同的3 套網(wǎng)格，對(duì)相對(duì)流速2.5 kn、8.5 kn 情況下的直立裸圓柱體進(jìn)行了阻力計(jì)算。3 套網(wǎng)格計(jì)算獲得的阻力系數(shù)與所使用的體網(wǎng)格數(shù)量的關(guān)系如圖7 所示。

圖7 直立圓柱阻力系數(shù)的網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證

驗(yàn)證表明采用的計(jì)算方法具有較好的網(wǎng)格收斂性。同時(shí)，與相關(guān)文獻(xiàn)在超臨界Re >106條件下的阻力系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，表明了本文所獲得的阻力系數(shù)結(jié)果具有較好的吻合度和可信度。為保證較好的計(jì)算結(jié)果精度和可承受的計(jì)算量，本文采用中等密度的網(wǎng)格對(duì)所有工況開展計(jì)算研究。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

在數(shù)值水池中對(duì)裸耙管進(jìn)行阻力計(jì)算，并換算成阻力系數(shù)。阻力系數(shù)的定義如式（5）：

式中：Rts為總阻力，N；ρ為流體密度，kg/m3；V為流速，m/s；A為耙管結(jié)構(gòu)在垂直流向的平面投影面積，m2；對(duì)于傾斜圓柱，A=DLsinα，α表示圓柱耙管與水平面夾角，D為圓柱耙管直徑，m；L為圓柱耙管長(zhǎng)度，m。在本算例中，D=0.936 m，L=50 m。

2.4.1 裸耙管阻力結(jié)果

下頁(yè)表3 所示為裸耙管阻力在各個(gè)航速和傾斜角度下的阻力及阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果。表中的總阻力Rts分為粘性阻力Rν和壓差阻力Rp兩部分。下頁(yè)圖8（a）所示為阻力系數(shù)隨流速的變化情況，圖8（b）所示為阻力系數(shù)隨耙管傾斜角度的變化情況。

結(jié)果顯示，在所研究的流速2.5～8.5 kn（雷諾數(shù)Re在1.0×106～3.4×106或1.0×106～1.0×106.5）范圍內(nèi)，裸耙管阻力系數(shù)隨不同流速的變化很小，可以認(rèn)為在較小的速度變化范圍內(nèi)，阻力系數(shù)基本不變，而只有當(dāng)水流速度為指數(shù)級(jí)的變化，才會(huì)有較明顯的阻力系數(shù)變化（參見第14 頁(yè)圖1）。但裸耙管阻力系數(shù)隨耙管傾斜角度的減小而明顯減小，這反映了隨著圓柱體耙管傾斜角度的變化，沿水流方向的耙管截面橢圓度變化，會(huì)引起阻力系數(shù)的明顯變化。裸耙管在垂直情況下，流速2.5～8.5 kn 時(shí)，平均阻力系數(shù)值達(dá)到最大Cd= 0.500，這一數(shù)值同圖1 的文獻(xiàn)資料曲線中雷諾數(shù)在106～106.5范圍的阻力系數(shù)數(shù)據(jù)驗(yàn)證對(duì)比基本吻合。

表3 裸耙管在各個(gè)航速和角度下的阻力與阻力系數(shù)

圖8 裸耙管阻力系數(shù)Cd 隨航速和角度變化曲線

圖9 和圖10 所示分別為裸耙管阻力計(jì)算域中縱剖面的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)云圖，可以明顯看到裸耙管尾流區(qū)速度和壓力有交替變化。這主要是由于在流體在經(jīng)過圓柱形成的渦并脫落，在圓柱后方形成渦街所致。

圖9 裸耙管流場(chǎng)速度分布

圖10 裸耙管流場(chǎng)壓力分布

為便于應(yīng)用及探求圓柱體裸耙管阻力系數(shù)隨不同耙管角度的變化規(guī)律，采用OfficeExcel 對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了趨勢(shì)線擬合，以不同角度下圓柱體耙管的阻力系數(shù)平均值為數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用多項(xiàng)式即可獲得較精準(zhǔn)的擬合公式，見圖11。若以不同水流速度下的全部阻力為數(shù)據(jù)樣本，可以獲得相同的擬合公式。多項(xiàng)式以耙管角度的sinα函數(shù)為變量，而sinα 函數(shù)即是可以反映耙管隨角度變化時(shí)耙管截面橢圓度的變化；以不同傾斜角度下的阻力系數(shù)Cdα與垂直角度下的阻力系數(shù)Cd90之比為目標(biāo)值。擬合的多項(xiàng)式公式如下：

圖11 圓柱體耙管不同傾斜角度下阻力系數(shù)比值擬合曲線

對(duì)擬合公式進(jìn)行驗(yàn)算同數(shù)值分析數(shù)據(jù)對(duì)比見表4，表明擬合精度是較高的。

表4 擬合公式數(shù)據(jù)驗(yàn)算對(duì)比

以上擬合公式尚是基于本案例的研究數(shù)據(jù)。隨著數(shù)值試驗(yàn)技術(shù)對(duì)更多案例進(jìn)行研究積累，可以獲得更多的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)積累和更全面的規(guī)律認(rèn)識(shí)。

2.4.2 全附體耙管阻力結(jié)果

表5 所示為全附體耙管阻力在各個(gè)航速和角度下的阻力及阻力系數(shù)結(jié)果，表中的總阻力Rts分為粘性阻力Rν和壓差阻力Rp兩部分。從表中數(shù)據(jù)可見，壓差阻力占了絕大比例。下頁(yè)圖12 所示為阻力和阻力系數(shù)隨流速的變化情況。結(jié)果顯示，在所研究的2.5～8.5 kn 流速范圍內(nèi)，耙管阻力系數(shù)隨流速的增大而略微減小，但不明顯。例如在20°下，Cd值在所有航速下都在0.48 左右。這也說明阻力系數(shù)Cd對(duì)航速不敏感，因此阻力值與航速平方成正比，這與裸耙管阻力系數(shù)隨流速變化規(guī)律相一致。

表5 全附體耙管在各個(gè)角度和航速下阻力成分與阻力系數(shù)

圖12 全附體耙管阻力和阻力系數(shù)隨航速變化曲線

圖13 所示為總阻力系數(shù)隨耙管傾斜角度的變化情況。Cd隨角度的變化不同于裸耙管，傾斜角度從90°減小到20°過程中，阻力系數(shù)先減小，在傾角30°時(shí)達(dá)到最小，耙管角度進(jìn)一步減小至20°時(shí)，阻力系數(shù)反而加大。這表明耙管的復(fù)雜幾何形式產(chǎn)生了復(fù)雜的流場(chǎng)，對(duì)阻力系數(shù)的影響規(guī)律變得復(fù)雜。

圖14 所示為裸耙管阻力計(jì)算域中某水平剖面的速度場(chǎng)，可以明顯看到全附體耙管各部分結(jié)構(gòu)尾流相互影響形成的復(fù)雜流動(dòng)情況。

圖13 復(fù)雜耙管阻力系數(shù)隨角度變化曲線

圖14 帶傾角全附體耙管速度場(chǎng)的水平截面圖

進(jìn)一步對(duì)比全附體耙管和裸耙管阻力系數(shù)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)全附體耙管阻力系數(shù)要比裸耙管阻力系數(shù)大許多。在垂直情況下，流速2.5～8.5 kn 時(shí)，阻力系數(shù)平均值達(dá)0.767。但這一阻力系數(shù)是基于全附體耙管的投影（各附體投影具有重疊）面積計(jì)算，若從阻力值來比，帶水下泵及全部附體的耙管阻力，要比裸耙管的阻力成倍增加，而傳統(tǒng)不帶水下泵的耙管，考慮一般的附體結(jié)構(gòu)，阻力只比裸耙管增加約20%（在45°耙管角度下）。

下頁(yè)表6 為全附體耙管與裸耙管的阻力及阻力系數(shù)比值。這表明帶水下泵的耙管相比于傳統(tǒng)的耙管阻力會(huì)大得多，在設(shè)計(jì)中不能低估。

由于全附體耙管中各個(gè)附體結(jié)構(gòu)幾何形體復(fù)雜，不同于細(xì)長(zhǎng)圓柱體在不同角度時(shí)，阻力變化有較清晰的函數(shù)規(guī)律。這些復(fù)雜幾何形狀的結(jié)構(gòu)阻力，在不同耙管角度時(shí)的變化，較難通過Excel 擬合線找出它們變化精度較高的函數(shù)關(guān)系。因此，這里采用的是列出各個(gè)附體結(jié)構(gòu)在不同角度下按照各自投影面積計(jì)算出阻力系數(shù)的方法，提供類似設(shè)計(jì)對(duì)耙管結(jié)構(gòu)的分項(xiàng)及合計(jì)阻力作類比估算參考。

表6 全附體耙管及裸耙管阻力及阻力系數(shù)比值

下頁(yè)表7 所示為全附體耙管各組件單獨(dú)的阻力結(jié)果，表8 為換算為分項(xiàng)阻力系數(shù)的結(jié)果。下頁(yè)圖15 反映了耙管各組件阻力在總阻力中的占比情況。

2.5 關(guān)于數(shù)值水池試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證的探討

數(shù)值水池試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用有效地提供了一種上述耙吸挖泥船耙管阻力的預(yù)報(bào)手段，對(duì)于數(shù)值水池試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和如何驗(yàn)證自然是一個(gè)想要關(guān)注的問題。如前所述，對(duì)于雷諾數(shù)超過臨界值的情況，無法采用傳統(tǒng)的拖曳水池試驗(yàn)去進(jìn)行實(shí)耙管預(yù)報(bào)，采用數(shù)值水池技術(shù)是目前能夠解決復(fù)雜耙管阻力問題的一種有效方法，但其試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果尚難以同其他方法進(jìn)行完全的驗(yàn)證。本文進(jìn)行了裸耙管的垂直角度試驗(yàn)計(jì)算，這并不是實(shí)際中耙管會(huì)遇到的情況，對(duì)此加以數(shù)值試驗(yàn)計(jì)算的目的是以期同以往有關(guān)圓柱體阻力特性的文獻(xiàn)資料進(jìn)行對(duì)比，相當(dāng)于進(jìn)行一種“基準(zhǔn)”驗(yàn)證。本文研究是結(jié)合某工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行，研究過程中，本文第一作者曾探求能否通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究和驗(yàn)證，但通過了解目前的風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)施也無法滿足雷諾數(shù)相同條件下的整體模型耙管尺度的需要。鑒于目前所做的數(shù)值水池研究已可為工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)并采信，因此限于客觀條件未去尋求其他的驗(yàn)證。

表7 全附體耙管各組件分項(xiàng)阻力

對(duì)數(shù)值水池試驗(yàn)可通過實(shí)船測(cè)試進(jìn)行一定的驗(yàn)證，本文研究用于的實(shí)船項(xiàng)目已設(shè)置了一些相關(guān)的測(cè)力裝置，可在今后實(shí)船運(yùn)行中收集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證。但由于各種實(shí)際條件和工況，并不容易達(dá)到理想的狀況，因此，實(shí)船驗(yàn)證也并不容易。至于數(shù)值水池試驗(yàn)技術(shù)的驗(yàn)證，還可通過今后類似項(xiàng)目的數(shù)值水池試驗(yàn)研究加以積累對(duì)比，達(dá)到某種“累積”驗(yàn)證，以此進(jìn)一步提高和完善數(shù)值水池分析技術(shù)和預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠性和精準(zhǔn)性。

表8 全附體耙管各組件分項(xiàng)阻力系數(shù)

圖15 耙管各組件阻力在總阻力中的占比

3 結(jié) 語

本文針對(duì)新一代耙吸挖泥船帶水下泵的耙管阻力在實(shí)尺度下進(jìn)行了數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)，分別針對(duì)裸耙管和帶水下泵的全附體耙管在不同流速、傾斜角度下的阻力進(jìn)行了研究，認(rèn)識(shí)阻力特性、探索阻力變化規(guī)律、獲得有關(guān)阻力系數(shù)數(shù)據(jù)，并提供相關(guān)設(shè)計(jì)參考。

耙管阻力計(jì)算研究表明：在通常耙吸挖泥船作業(yè)航速范圍內(nèi)，耙管阻力系數(shù)對(duì)流速不敏感，工程應(yīng)用中可視為不變；而耙管傾斜角度對(duì)耙管阻力系數(shù)的影響明顯。合理評(píng)估和預(yù)報(bào)耙管在各設(shè)計(jì)工況及狀態(tài)下的阻力性能，對(duì)耙吸挖泥船推進(jìn)裝置及動(dòng)力裝置的合理配置是十分必要的。

帶水下泵的耙管較之傳統(tǒng)型式的耙管，阻力成倍增加，在設(shè)計(jì)中不能低估。借助于數(shù)值水池，在精確定量全附體耙管阻力的同時(shí)，還可將各個(gè)附體結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)單獨(dú)得到，其精度、效率和確定阻力成分等方面的優(yōu)勢(shì)均是傳統(tǒng)水池和經(jīng)驗(yàn)公式難以具備的。

基于數(shù)值水池研究耙吸挖泥船耙管阻力性能，顯示出數(shù)值水池開展復(fù)雜結(jié)構(gòu)水動(dòng)力性能研究的優(yōu)勢(shì)，可作為研究和預(yù)報(bào)復(fù)雜結(jié)構(gòu)耙管阻力特性的有效方法。數(shù)值水池所提供的計(jì)算數(shù)據(jù)和可視化的流場(chǎng)信息為探索各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力機(jī)理提供了豐富的信息，可為相關(guān)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供有力幫助。